A ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT ) - это тип ветряных турбин, в которых вал главного ротора установлен поперек ветру (но не обязательно вертикально), в то время как основной компоненты расположены в основании турбины. Такое расположение позволяет размещать генератор и редуктор близко к земле, что упрощает обслуживание и ремонт. VAWT не нужно направлять против ветра, что устраняет необходимость в механизмах определения ветра и ориентации. Основные недостатки ранних разработок (Савониус, Дарье и гиромилл ) включали в себя значительную вариацию крутящего момента или «пульсацию «при каждом обороте и большие изгибающие моменты на лопастях. В более поздних разработках проблема пульсаций крутящего момента решалась путем поворота лопастей по спирали (типа Горлова ).
Ветряная турбина с вертикальной осью имеет ось, перпендикулярную линиям тока ветра и вертикальную по отношению к направлению ветра. Более общий термин, который включает эту опцию, - «ветряная турбина с поперечной осью» или «ветровая турбина с поперечным потоком». Например, оригинальный патент Дарье, патент США 1835018, включает оба варианта.
Перетаскивание- Типы VAWT, такие как ротор Савониуса, обычно работают с более низкими передаточными числами, чем VAWT на основе подъемника, такие как роторы Дарье и циклотурбины.
Силы и скорости, действующие в турбине Дарье, показаны на рисунке 1. Результирующий вектор скорости представляет собой векторную сумму невозмущенной скорости воздуха вверх по потоку, , и вектор скорости движущегося лезвия, .
Рис. 1: Силы и скорости, действующие в турбине Дарье для различных азимутальных положений Воспроизвести медиа Спиральная Турбина ДарьеТаким образом, скорость набегающей жидкости меняется в течение каждого цикла. Максимальная скорость находится для , а минимальная - для , где - азимутальное или орбитальное положение лопасти. Угол атаки, , представляет собой угол между скоростью набегающего воздушного потока W и хордой лопасти. Возникающий в результате воздушный поток создает переменный положительный угол атаки на лезвие в зоне входа машины, меняя знак в зоне выхода машины.
Из геометрических соображений угловой скорости, как видно на прилагаемом рисунке, следует, что:
и:
Решение для относительной скорости как равнодействующая тангенциальной и нормальной составляющих дает:
Таким образом, объединяя приведенное выше с определениями для передаточного числа конечной скорости дает следующее выражение для результирующей скорости:
Угол атаки определяется как:
Что при подстановке вышеуказанного дает:
. Результирующая аэродинамическая сила преобразуется либо в подъемную силу ( L) - компоненты перетаскивания (D) или нормальные (N) - тангенциальные (T) компоненты. Считается, что силы действуют в точке четверти хорды, и определяется момент тангажа, чтобы разрешить аэродинамические силы. Авиационные термины «подъемная сила» и «сопротивление» относятся к силам, действующим поперек (подъемная сила) и вдоль (лобовое сопротивление) приближающегося чистого относительного воздушного потока. Тангенциальная сила действует вдоль скорости лезвия, притягивая лезвие, а нормальная сила действует радиально, давя на подшипники вала. Подъемная сила и сила сопротивления полезны при работе с аэродинамическими силами вокруг лопасти, такими как динамический срыв, пограничный слой и т. Д.; в то время как при работе с общей производительностью, усталостными нагрузками и т. д. удобнее использовать нормально-тангенциальную раму. Коэффициенты подъемной силы и сопротивления обычно нормируются на динамическое давление относительного воздушного потока, в то время как нормальные и тангенциальные коэффициенты обычно нормируются на динамическое давление невозмущенной скорости жидкости вверх по потоку.
A = Площадь лезвия (не путать с площадью захвата, которая равна высоте (размер лопасти / ротора, умноженный на диаметр ротора), R = радиус турбины
Количество мощности P, которое может быть поглощено ветровой турбиной:
где - коэффициент мощности, - плотность воздуха, - рабочая площадь турбины, и - скорость ветра.
VAWT имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционным горизонтальным ветром. турбины (HAWT):
Одной из основных нерешенных проблем, с которыми сталкиваются технологии ветряных турбин с вертикальной осью, является динамическое срывание лопастей при быстром изменении угла атаки.
Лопасти VAWT подвержены усталости из-за большого разброса прилагаемых сил во время каждого вращения. Этого можно избежать за счет использования современных композитных материалов и улучшений в конструкции, включая использование аэродинамических законцовок крыла, которые вызывают статическую нагрузку на соединения крыла-расширителя. Вертикально ориентированные лезвия могут поворачиваться и сгибаться во время каждого поворота, вызывая их разрушение.
VAWT оказались менее надежными, чем HAWT, хотя современные конструкции VAWT преодолели многие проблемы, связанные с ранними проектами.
Windspire, небольшой VAWT, предназначенный для индивидуального (домашнего или офисного) использования, был разработан в начале 2000-х годов американской компанией Mariah Power. Компания сообщила, что к июню 2008 года в США было установлено несколько устройств.
Arborwind, компания из Анн-Арбора (Мичиган, США), производит запатентованный небольшой VAWT, который был установлен в нескольких местах в США как 2013 года.
В 2011 году Sandia National Laboratories исследователи ветроэнергетики начали пятилетнее исследование применения технологии проектирования VAWT на морских ветровых электростанциях. Исследователи заявили: «Экономика морских ветроэнергетических установок отличается от наземных турбин из-за проблем с установкой и эксплуатацией. VAWT предлагает три больших преимущества, которые могут снизить стоимость энергии ветра: более низкий центр тяжести турбины; меньшая сложность машины; и лучшая масштабируемость до очень больших размеров. Более низкий центр тяжести означает повышенную устойчивость на плаву и меньшие гравитационные усталостные нагрузки. Кроме того, трансмиссия VAWT находится на поверхности или рядом с ней, что потенциально упрощает обслуживание и снижает затраты времени. Меньшее количество деталей, более низкие усталостные нагрузки и более простое техническое обслуживание - все это ведет к снижению затрат на техническое обслуживание ».
Демонстрационный участок VAWT на 24 объекта был построен в южной Калифорнии в начале 2010-х гг. Калифорнийским технологическим институтом профессором авиации Джоном Дабири. Его проект был воплощен в 10-секционной электростанции, установленной в 2013 году в деревне Игиугиг на Аляске.
Дулас, Англси получил разрешение в марте 2014 года на установку прототипа VAWT на волнорезе на берегу Порт-Талбота. Турбина новой конструкции была поставлена базирующейся в Уэльсе C-FEC (Суонси) и будет эксплуатироваться в течение двухлетних испытаний. Этот VAWT включает в себя ветрозащитный экран, который блокирует ветер от движущихся лопастей, и, таким образом, требует датчика направления ветра и механизма позиционирования, в отличие от VAWT типа «взбивания яиц», описанных выше.
4 Navitas (Блэкпул) с июня 2013 года эксплуатирует два прототипа VAWT, оснащенных силовой передачей Siemens, они должны выйти на рынок в январе 2015 года с бесплатной передачей технологии заинтересованным сторонам. 4 Navitas сейчас находятся в процессе масштабирования своего прототипа до 1 МВт (работая с PERA Technology), а затем перемещают турбину на морской понтон. Это снизит стоимость морской ветровой энергии.
Динасфера - это Майкл Рейнольдс '(известный своими проектами домов Earthship ) ветряная мельница 4-го поколения с вертикальной осью. Эти ветряные мельницы имеют два генератора мощностью 1,5 кВт и могут вырабатывать электричество на очень низких скоростях.
На Викискладе есть материалы, связанные с ветряными турбинами с вертикальной осью. |
.